JP2020088238A

JP2020088238A - 冷却システム

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Publication number: JP2020088238A
Application number: JP2018222465A
Authority: JP
Inventors: 敏生池山; toshio Ikeyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: JP7151424B2

Abstract

【課題】冷却システムにおいて実際の冷媒温度から乖離した検出温度によらずに冷媒の流れを制御する。【解決手段】冷却システムは、第１温度センサ、第２温度センサ、コントローラを備える。第１温度センサは冷媒の温度を検出する。２温度センサは半導体素子の温度を検出する。コントローラは、第２温度センサの検出値に基づいて推定した冷媒の推定温度に基づいてポンプを制御する推定温度制御と、第１温度センサの検出値に基づいてポンプを制御する検出温度制御を切り替えることができる。コントローラは、検出温度制御の実行中に推定温度の時間微分の絶対値が所定値より大きく、第１温度センサの検出温度と推定温度との温度差が第１温度差より大きくなった場合、推定温度制御に切り替える。コントローラは、推定温度制御の実行中に検出温度と推定温度との温度差が第１温度差より小さな第２温度差より小さくなった場合、検出温度制御に切り替える。【選択図】図３

Description

本明細書は、冷却システムに関する技術を開示する。

冷媒を用いて半導体素子を冷却する冷却システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１の冷却システムは、冷媒に触れないように設置された温度センサを備えている。冷媒の温度変化に対して温度センサが検知する温度は遅れて追従する。冷媒の温度を検出する際の応答遅れに対応するために、半導体素子の発熱量に基づいて冷媒の検出温度を補正し、その補正後の検出温度に基づいて、冷媒を圧送するポンプを制御する。

特開２０１６−６８２４号公報

冷媒の温度を検出する温度センサの位置関係によっては、冷媒の検出温度における応答遅れの影響を十分に補正しきれず、実際の冷媒温度から大きく乖離した検出温度に基づいて冷媒の流れを制御することになる虞があった。

本明細書に開示する一形態は、冷媒を用いて半導体素子を冷却する冷却システムである。この冷却システムは、第１温度センサと、第２温度センサと、コントローラとを備えている。第１温度センサは、冷媒の温度を検出する。第２温度センサは、半導体素子の温度を検出する。コントローラは、冷媒を圧送するポンプを制御する。コントローラは、第２温度センサの検出値に基づいて冷媒の温度（推定温度）を推定する。コントローラは、推定温度に基づいてポンプを制御する推定温度制御と、第１温度センサの検出値（検出温度）に基づいてポンプを制御する検出温度制御を切り替えることが可能である。コントローラは、検出温度制御の実行中に、推定温度の時間微分の絶対値が所定値より大きく、かつ、第１温度センサの検出温度と推定温度との温度差が第１温度差より大きくなった場合、推定温度制御に切り替える。コントローラは、推定温度制御の実行中に、検出温度と推定温度との温度差が第１温度差より小さな第２温度差より小さくなった場合、検出温度制御に切り替える。

上記形態の冷却システムによれば、冷媒温度が比較的緩やかに変化している場合には検出温度制御を実行する。すなわち、検出温度に基づいてポンプを安定的に制御することができる。一方、検出温度における応答遅れの影響が大きくなる冷媒温度の急変時には、推定温度制御に切り替える。すなわち、検出温度より応答性が高い推定温度に基づいてポンプを制御することによって、実際の冷媒温度から乖離した検出温度によらずに冷媒の流れを制御することができる。

冷却システムの構成を示す説明図である。冷媒温度の時間変化の一例を示す説明図である。コントローラが実行するポンプ制御処理を示すフローチャートである。

図１は、冷却システム１０の構成を示す説明図である。冷却システム１０は、冷媒（冷却水）を用いて冷却対象である半導体素子２０を冷却する装置である。冷却システム１０は、内燃機関による動力と電動機による動力との両方を用いて走行するハイブリッド車両に搭載される。なお、ハイブリッド車両自体は図示を省略している。半導体素子２０は、電動機に供給される電力を制御するパワーコントロールユニットの一部を構成する。半導体素子２０は、電動機の負荷に応じて発熱する。

冷却システム１０は、ラジエータ１１０と、配管１２０と、ポンプ１３０と、第１温度センサ１５０と、第２温度センサ１６０と、コントローラ２００とを備えている。

冷却システム１０のラジエータ１１０は、半導体素子２０を冷却する冷媒の熱を放熱する熱交換器である。ラジエータ１１０は、冷媒を内部に流し、熱伝導を利用して周囲の空気に冷媒の熱を放熱する。

冷却システム１０の配管１２０は、半導体素子２０とラジエータ１１０との間で冷媒を循環させるパイプである。配管１２０は、ラジエータ１１０からポンプ１３０、半導体素子２０を順に巡り再びラジエータ１１０へと戻る流路を形成する。

冷却システム１０のポンプ１３０は、配管１２０に設けられており、冷媒を圧送する。ポンプ１３０は、コントローラ２００からの制御信号に基づいて作動する。

冷却システム１０の第１温度センサ１５０は、冷媒の温度を検出する。第１温度センサ１５０は、半導体素子２０から配管１２０へと冷媒が排出される出口の近傍に設けられている。第１温度センサ１５０は、検出信号をコントローラ２００へと出力する。

冷却システム１０の第２温度センサ１６０は、半導体阻止２０の近傍に取り付けられており、半導体素子２０の温度を検出する。第２温度センサ１６０は、検出信号をコントローラ２００へと出力する。

冷却システム１０のコントローラ２００は、ポンプ１３０を制御する。コントローラ２００は、パルス幅変調（ＰＭＷ）制御によってポンプ１３０の回転数を制御する。コントローラ２００の機能は、コンピュータプログラムに基づいてソフトウェア的に実現される。コントローラ２００の各部による機能の少なくとも一部は、回路構成に基づいてハードウェア的に実現されてもよい。

コントローラ２００は、冷媒の温度を示す第１温度センサ１５０の検出値に基づいて冷媒の検出温度Ｔｄを算出する。コントローラ２００は、半導体素子２０の温度を示す第２温度センサ１６０の検出値に基づいて検出温度Ｔｄを補正した検出温度Ｔｄｃを算出する。コントローラ２００は、半導体素子２０の温度を示す第２温度センサ１６０の検出値に基づいて冷媒の推定温度Ｔｅを算出する。

コントローラ２００は、推定温度Ｔｅの時間微分（ｄＴｅ／ｄｔ）の絶対値が設定値Ａより大きく、かつ、検出温度Ｔｄｃと推定温度Ｔｅとの温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂより大きくなった場合（第１条件）、推定温度Ｔｅに基づいてポンプ１３０を制御する推定温度制御を実行する。

コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃと推定温度Ｔｅとの温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂより小さな第２温度差Ｃより小さくなった場合（第２条件）、検出温度Ｔｄｃに基づいてポンプ１３０を制御する検出温度制御を実行する。コントローラ２００は、起動時には検出温度制御を実行する。すなわち、コントローラ２００は、検出温度制御の実行中に上記第１条件が成立した場合、推定温度制御に切り替える。また、コントローラ２００は、推定温度制御の実行中に上記第２条件が成立下場合、検出温度制御に切り替える。

図２は、冷媒温度の時間変化の一例を示す説明図である。図２の横軸は、経過時間を示す。図２の縦軸は、温度を示す。図２には、冷媒の実温度Ｔａのほか、検出温度Ｔｄ、検出温度Ｔｄｃおよび推定温度Ｔｅの各時間変化が示されている。

実温度Ｔａが急変する場合（タイミングｔ１）、実温度Ｔａに対して検出温度Ｔｄの応答遅れが大きくなり、推定温度Ｔｅに基づいて補正した検出温度Ｔｄｃであっても応答遅れが大きくなる。実温度Ｔａに対する推定温度Ｔｅの応答遅れは、検出温度Ｔｄおよび検出温度Ｔｄｃと比較して小さい。

実温度Ｔａが比較的に安定して推移している間（タイミングｔ１より前）、コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃに基づく検出温度制御を実行する。その後、検出温度制御の実行中に実温度Ｔａが急変し、時間微分（ｄＴｅ／ｄｔ）の絶対値が設定値Ａより大きく、かつ、温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂより大きくなった場合（タイミングｔ１）、コントローラ２００は、推定温度Ｔｅに基づく推定温度制御に切り替える。その後、推定温度制御の実行中に実温度Ｔａが安定し、温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第２温度差Ｃより小さくなった場合（タイミングｔ２）、コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃに基づく検出温度制御に切り替える。

図３は、コントローラ２００が実行するポンプ制御処理を示すフローチャートである。図３のポンプ制御処理は、コントローラ２００によってメインルーチンから定期的に実行されるサブルーチンである。

ポンプ制御処理を開始した後、コントローラ２００は、第１温度センサ１５０および第２温度センサ１６０の各検出値を取得する（ステップＳ１１０）。その後、コントローラ２００は、第１温度センサ１５０および第２温度センサ１６０の各検出値に基づいて検出温度Ｔｄｃを算出する（ステップＳ１２０）。その後、コントローラ２００は、第２温度センサ１６０の検出値に基づいて推定温度Ｔｅを算出する（ステップＳ１３０）。検出温度Ｔｄｃおよび推定温度Ｔｅを算出した後（ステップＳ１２０，Ｓ１３０）、コントローラ２００は、現時点で検出温度Ｔｄｃに基づく検出温度制御を実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。

検出温度制御を実行中である場合（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、推定温度Ｔｅの時間微分（ｄＴｅ／ｄｔ）の絶対値が設定値Ａより大きいか否かを判断する（ステップＳ１５０）。時間微分（ｄＴｅ／ｄｔ）の絶対値が設定値Ａより大きい場合（ステップＳ１５０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃと推定温度Ｔｅとの温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂより大きいか否かを判断する（ステップＳ１６０）。温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂより大きい場合（ステップＳ１６０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃに基づく検出温度制御から、推定温度Ｔｅに基づく推定温度制御に切り替える（ステップＳ１７０）。推定温度制御に切り替えた後（ステップＳ１７０）、または、時間微分（ｄＴｅ／ｄｔ）の絶対値が設定値Ａ以下である場合（ステップＳ１５０：「ＮＯ」）、温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第１温度差Ｂ以下である場合（ステップＳ１６０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、ポンプ制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

検出温度制御を実行中でない場合、言い換えると、推定温度制御を実行中である場合（ステップＳ１４０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、検出温度Ｔｄｃと推定温度Ｔｅとの温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第２温度差Ｃより小さいか否かを判断する（ステップＳ１８８０）。第２温度差Ｃは、第１温度差Ｂより小さな値である。温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第２温度差Ｃより小さい場合（ステップＳ１８０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、推定温度Ｔｅに基づく推定温度制御から、検出温度Ｔｄｃに基づく検出温度制御に切り替える（ステップＳ１９０）。検出温度制御に切り替えた後（ステップＳ１９０）、または、温度差｜Ｔｄｃ−Ｔｅ｜が第２温度差Ｃ以上である場合（ステップＳ１８０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、ポンプ制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

以上説明した実施形態によれば、冷媒の実温度Ｔａが比較的緩やかに変化している場合には検出温度Ｔｄｃに基づいてポンプ１３０を安定的に制御しつつ、検出温度Ｔｄｃにおける応答遅れの影響が大きくなる冷媒の実温度Ｔａの急変時には、検出温度Ｔｄｃより応答性が高い推定温度Ｔｅに基づいてポンプ１３０を制御することによって、冷媒の実温度Ｔａから大きく乖離した検出温度Ｔｄｃに基づいて冷媒の流れを制御することを防止できる。

コントローラ２００は、冷媒の温度を示す第１温度センサ１５０の検出値に基づいて冷媒の検出温度Ｔｄを算出する。コントローラ２００は、半導体素子２０の温度を示す第２温度センサ１６０の検出値に基づいて検出温度Ｔｄを補正し、検出温度Ｔｄｃを得る。補正後の検出温度Ｔｄｃの算出方法の一例は次の通りである。コントローラ２００は、外気温、ポンプ回転数、半導体素子の負荷などに応じた温度補正量のマップを記憶している。温度補正量は、試験、シミュレーションなどにより予め求められている。コントローラ２００は、検出温度Ｔｄを検出したときの外気温などから対応する温度補正量をマップから抽出し、検出温度Ｔｄに加算し、補正した検出温度Ｔｄｃを得る。なお、補正後の検出温度Ｔｄｃのノイズを除去するため、第２温度センサ１６０の検出値の時系列データに対してローパスフィルタを施してもよい。

また、コントローラ２００は、半導体素子２０の温度を示す第２温度センサ１６０の検出値に基づいて冷媒の推定温度Ｔｅを算出する。推定温度Ｔｅの算出方法の一例は次の通りである。コントローラ２００は、外気温、ポンプ回転数、半導体素子の負荷などに応じて、第２温度センサ１６０の検出値（すなわち素子温度）と冷媒温度との温度差の予測値（温度差予測値）のマップを記憶している。温度差予測値は、試験、あるいは、シミュレーションなどにより予め求められている。コントローラ２００は、第２温度センサ１６０の検出値を得たときの外気温などから対応する温度差予測値をマップから抽出し、第２温度センサ１６０の検出値に加算し、冷媒の推定温度Ｔｅを得る。前述したように、冷媒温度の検出温度Ｔｄを補正する際に第２温度センサ１６０の検出値の時系列データに対してローパスフィルタを施しておけば、推定温度Ｔｅに含まれ得るノイズも除去される。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：冷却システム
２０：半導体素子
１１０：ラジエータ
１２０：配管
１３０：ポンプ
１５０：第１温度センサ
１６０：第２温度センサ
２００：コントローラ

Claims

冷媒を用いて半導体素子を冷却する冷却システムであって、
前記冷媒の温度を検出する第１温度センサと、
前記半導体素子の温度を検出する第２温度センサと、
前記冷媒を圧送するポンプを制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記第２温度センサの検出値に基づいて推定した前記冷媒の推定温度に基づいて前記ポンプを制御する推定温度制御と、前記第１温度センサの検出温度に基づいて前記ポンプを制御する検出温度制御を切り替えることが可能であり、
前記検出温度制御の実行中に、前記推定温度の時間微分の絶対値が所定値より大きく、かつ、前記検出温度と前記推定温度との温度差が第１温度差より大きくなった場合に前記推定温度制御に切り替え、
前記推定温度制御の実行中に、前記検出温度と前記推定温度との温度差が前記第１温度差より小さな第２温度差より小さくなった場合、前記検出温度制御に切り替える、冷却システム。